[論文レビュー] Femtosecond laser-induced sub-wavelength plasma inside dielectrics: I. Field enhancement

Kazem Ardaneh, Rémi Meyer+6 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2022

Laser Material Processing Techniques参考文献 40被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、3次元粒子-セル（PIC）シミュレーションを用いて、サファイア内におけるフェムト秒レーザー誘発の準位相プラズマにおける場の強化およびエネルギー吸収メカニズムを調査した。2つの主要な吸収経路が同定された。1つは均一な過臨界プラズマにおける表面プラズモン励起、もう1つは非均一なガウス型プロファイルにおける共鳴吸収であり、両者ともに50%を超える高い吸収率を示し、実験的近接場および遠方場診断と一致した。主な発見は、アンビポーラ電場および電子音響波がプラズマ界面で形成され、衝突なしの波-粒子相互作用が過臨界プラズマにおける効率的なエネルギー堆積を駆動していることである。

ABSTRACT

The creation of high energy density ($\gtrsim10^6$ joules per cm$^3$) over-critical plasmas in a large volume has essential applications in the study of warm dense matter, being present in the hot cores of stars and planets. It was recently shown that femtosecond Bessel beams enable creating over-critical plasmas inside sapphire with sub-wavelength radius and several tens of micrometers in length. Here, the dependence of field structure and absorption mechanism on the plasma density transverse profile are investigated by performing self-consistent Particle-In-Cell (PIC) simulations. Two { limiting} cases are considered: one is a homogeneous step-like profile, that can sustain plasmon formation, the second is an inhomogeneous Gaussian profile, where resonance absorption occurs. Comparing experimental absorption measures to analytical predictions allows determining the plasma parameters used in PIC simulations. The PIC simulation results are in good agreement with experimental diagnostics of total absorption, near-field fluence distribution, and far-field radiation pattern. We show that in each case an ambipolar field forms at the plasma surface due to the expansion of the hot electrons and that electron sound waves propagate into the over-critical region.

研究の動機と目的

• フェムト秒ベッセルビーム誘発の準位相プラズマにおける高いレーザーエネルギー吸収（50%以上）の背後にあるメカニズムを理解すること。
• 実験的条件下での過臨界プラズマ生成において、表面プラズモン形成と共鳴吸収のどちらが支配的であるかを特定すること。
• 自己一貫性のあるPICシミュレーションを通じて、実験的診断（全吸収率、近接場強度、遠方場パターン）とプラズマ物理学を橋渡しすること。
• プラズマ密度プロファイル（均一型対ガウス型）が場の構造および電子加熱ダイナミクスに与える影響を特定すること。
• 衝突なしのプロセス、特に波-粒子相互作用が、高強度・短パルス相互作用におけるエネルギー堆積の大部分を占めることを検証すること。

提案手法

• 絶縁体内のレーザー-プラズマ相互作用をモデル化するため、EPOCHコードを用いた3次元大規模並列PICシミュレーションを実施した。
• 表面プラズモン励起を目的とした均一な段階的密度プロファイルと、共鳴吸収を目的とした非均一なガウス型プロファイルの2つの極限的なプラズマ密度プロファイルをシミュレーションした。
• 表面プラズモン分散および共鳴吸収の解析的モデルを用い、シミュレーションにおけるプラズマパラメータ（密度、スケール長）を制約した。
• 過臨界プラズマにおける電子音響波をモデル化するため、Bohm-Gross分散関係を用い、衝突性減衰をνcを介して導入した。
• シミュレーションで得られた吸収率、近接場強度、遠方場放射パターンを実験測定値と一致させることで、シミュレーションパラメータをキャリブレーションした。
• 衝突性減衰を含む全静電的分散関係を解き、プラズマ内での波の伝播および減衰を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒ベッセルビーム誘発の準位相プラズマにおけるエネルギー吸収の主なメカニズムは何か？
• RQ2 均一型と非均一型プラズマ密度プロファイルの間で、場の構造（表面プラズモン対共鳴吸収）にはどのような違いがあるか？
• RQ3 アンビポーラ電場および電子音響波がプラズマ-真空界面にどの程度形成され、電子加熱にどのように影響を与えるか？
• RQ4 PICシミュレーションは、両方のプラズマ密度プロファイルについて、実験的吸収率、近接場強度、遠方場放射パターンを再現できるか？
• RQ5 過臨界プラズマ内における電子音響波の位相速度および群速度は、観測されたエネルギー堆積および波の減衰とどのように関係しているか？

主な発見

• 強度が約10^14 W/cm²のフェムト秒ベッセルビームは、サファイア内で10ncから70nc（nc = 1.7×10^21 cm⁻³）の密度を有する過臨界プラズマを生成する。
• 均一型および非均一型プラズマプロファイルの両方において、50%を超えるレーザーエネルギー吸収が得られ、実験測定値と一致した。
• 高温電子の拡張により、プラズマ表面にアンビポーラ電場が形成され、均一プラズマではより強い電場勾配が観察された。
• 電子音響波は過臨界プラズマ領域に伝播し、短波長領域では位相速度と群速度が√3 v_thに収束する。
• 電子音響波の減衰率は、波の位相速度に近い速度で運動する電子との共鳴に起因し、波の周波数と同等の大きさである。
• 過臨界プラズマ内における電子音響波の分散関係は、T = 80 eVおよびλ_D ≈ 1.5 nmの条件下で波長が約25 nmとなることを示し、シミュレーション条件と整合的である。